Perché alimentato a batteria audio preamplificatori Matter

I sistemi di acquisizione audio portatili soffrono spesso di segnali microfono deboli, uscite di strumenti ad alta impedenza, o lunghe piste di cavo che degradano la qualità del suono prima che il segnale raggiunga un registratore o un mixer. Un preamplificatore compatto e alimentato a batteria costruito intorno a un amplificatore operativo di qualità risolve questi problemi senza legare a un'uscita a parete.

La progettazione di un dispositivo da zero richiede più di scegliere un op-amp e il cablaggio di alcuni resistenze. È necessario navigare in biasing monofornitura, selezione di componenti accurata, gestione del rumore e layout PCB, il tutto mantenendo la corrente disegnare abbastanza basso per fornire la durata pratica della batteria. Questa guida cammina attraverso il processo di progettazione completo, coprendo tutto dai parametri op-amp alla schermatura di custodia, in modo da poter costruire una portante che rivalibilità unità commerciali in prestazioni.

Amplificatore operativo come il core

Un amplificatore operativo prende una piccola tensione differenziale tra i suoi inverting (–) e non inverting (+) ingressi e lo moltiplica con un guadagno open-loop che può superare 100 dB. Le reti di feedback si addentrano in un'enorme cifra di default e stabile a livello chiuso.

La configurazione dell'amplificatore non invertente è il cavalletto di lavoro per la maggior parte degli input preamplificatori perché offre un'elevata impedenza di ingresso (impostata principalmente dalla rete di bias di ingresso dell'op-amp) e un facile controllo di guadagno con due resistenze.

Parametri criticali dell'amplificatore per l'audio portatile

Scegliere l'amplificatore operativo giusto significa leggere i fogli di dati con un focus sui parametri che importano per l'audio a batteria.

  • Densità di rumore di tensione di ingresso:[ Specificato in nV/√Hz, solitamente a 1 kHz.
  • Corrente di approvvigionamento per amplificatore:[ L'ingranaggio portatile richiede frugalità. Un moderno CMOS op-amp come il [OPA1671] disegna solo 940 μA per canale, mentre un classico bipolare NE5532 per il numero di batteria di canali di destinazione.
  • Oscillazione di uscita del rail-to-rail: Con una singola batteria da 9V, la tensione di alimentazione inizia a circa 9V e si sposta verso 5.5V come scarica. Un op-amp di uscita del rotaia può oscillare all'interno dei millivolt delle rotaie, massimizzando la camera di testa.
  • Prodotto a banda larga (GBWP): Per mantenere bassa distorsione a 20 kHz con un guadagno di 20 dB (10×), è necessario un GBWP almeno dieci volte quel prodotto, circa 2 MHz. Parti come il ]L072 (3 MHz) lavoro, ma per un guadagno più alto o più ampio
  • Tasso di lavoro:[] I transienti audio possono essere veloci. Un minimo di 5 V/μs è tipico per i segnali a 20 kHz su larga scala, anche se anche 3 V/μs può essere sufficiente per il lavoro a livello di linea.

Per un preamplificatore microfono a batteria, il NE5532 offre ottime prestazioni di rumore ma ad una corrente di alimentazione superiore. Se avete bisogno della massima durata della batteria, una parte moderna come OPA1671 colpisce un buon equilibrio. Per un preamplificatore di chitarra che ha bisogno solo di un paio di dB di guadagno, un TL072 può essere perfettamente adeguato. Per una guida di selezione autorevole, fare riferimento a risorse come][F0]

Sfide di potere e di equilibratura

Una batteria alcalina 9V (PP3) rimane la scelta più accessibile per i preampli compatti. Fornisce un nominale 9V con capacità moderata (circa 500–600 mAh). Due celle nominali AA o AAA in serie danno 3V-troppo basso per molti standard op-amp, quindi considerare un piccolo regolatore di spinta o utilizzare un 3V-tollerante binario-a-rail I/O più lungo op-amp.

Creare un terreno virtuale

Poiché i segnali audio sono bipolari, l'ingresso dell'op-amp deve sedersi a un costante offset DC, tipicamente Vcc/2, in modo che l'uscita può oscillare sia positivo e negativo rispetto a tale riferimento. Un semplice divisore di resistenza da Vcc a terra, bypassato con un condensatore, crea questo riferimento medio-fornitura. Il centro divisore si collega all'ingresso non invertente attraverso una resistenza (per impostare l'impedenza del segnale per AC) e diventa

Utilizzare un secondo op-amp (se si dispone di un ricambio) per tamponare il riferimento Vcc/2, creando un “terra virtuale” a bassa impedenza che possa guidare più fasi senza interazione. Questa tecnica è comune nei circuiti audio monofornitura ed è dettagliata in molti ] note di applicazione T].

Filtro di alimentazione

Le batterie non sono perfettamente prive di rumore; possono produrre i suoi a causa di processi chimici interni, e qualsiasi circuito digitale nelle vicinanze può iniettare rumore. Inserire un filtro a basso passaggio tra la batteria e i pin di potenza op-amp. Una resistenza della serie 10Ω–100Ω seguita da un condensatore elettrolitico 100μF–470μF in parallelo con un condensatore ceramico 0.1μF fornisce un decoupling efficace.

Progettazione del circuito passo passo passo

Il classico amplificatore non invertente AC-coupled forma la spina dorsale della maggior parte dei canali preamplificazione. Il segnale di ingresso entra attraverso un condensatore di blocco DC, passa attraverso una resistenza all'ingresso non invertente dell'op-amp, che è biased a Vcc/2.

Gain Impostazione e controllo della larghezza di banda

[FLT] [FLT] [[FLT]]] [[FLT]]]] [[FLT]]]] [[FLT]]]] [[FLT]]]]] [[FLT]]]] [[FLT]]]]] [[FLT]]]]] [[FLT]]]] [[FLT]]]]]] [FLT]]]] [[[[Flo stesso]]]]]] è la stabilità [[[[[FLT] [[FLT]]]]]]] [[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

Per un guadagno variabile, sostituire Rf] o Rg]] con un potenziometro. Un piatto di 10kΩ log-taper in serie con Rf]] consente un regolare guadagno regolare. Per evitare i clic o i turni DC, assicurarsi del tergicristallo è un piccolo condensatore di pista AC-AC-coup

Protezione dell'ingresso e filtro RF

Aggiungere un condensatore 100pF-220pF dall'ingresso al suolo dopo il tappo di blocco DC per frenare l'interferenza della radiofrequenza. Una resistenza della serie di 1kΩ–10kΩ può anche aiutare, ma interagirà con la capacità di ingresso dell'op-ampamp e il tappo del filtro RF per formare un filtro di ingresso a basso passaggio.

Selezione e Calcoli dei componenti

Progettare un pratico preamplificatore a singolo canale con un guadagno regolabile da 1× (0 dB) a 10× (20 dB) utilizzando una batteria 9V.

  • amplificatore operativo:[ OPA1671 (basso rumore, quiescente 940 μA, uscita rail-to-rail, velocità di slittamento 16V/μs). In alternativa, per corrente di alimentazione ultra-bassa, il OPA1692 (650 μA per canale, 4.2 è a stellar
  • condensatori di blocco DC:[] Input: 1μF film o ceramica NP0 (per microfonia bassa) per impostare l'ingresso ad alta portata con il resistore di bias. Uscita: 10μF elettrolitico con un bypass di film 100nF per guidare gli input di livello linea.
  • Responsabile Bias (dall'ingresso non invertente a Vcc/2):[ 100kΩ. Combinato con il tappo di ingresso 1μF produce un punto -3 dB a circa 1,6 Hz, ben sotto l'audio.
  • Rete di guadagno: Rg (fissato) = 1kΩ, Cg (AC-coupling to ground) = 47μF elettrolitico + 0.1μF ceramica per un angolo inferiore a 4 Hz R[F]
  • Vcc/2 divisore:[ Due resistenze 10kΩ con un condensatore 47μF dal centro al suolo.
  • Decomposizione della potenza:[ 100μF elettrolitica e ceramica 0.1μF vicino al pin op-amp V+.

Se avete bisogno di un guadagno più alto (40–60 dB per un microfono dinamico), un ulteriore stadio di preampli a basso rumore o un altro op-amp (come il [[THAT1510[[]]] se state costruendo un ingresso equilibrato) è necessario.

Riduzione del rumore e layout PCB

Anche l'op-amp più tranquillo può essere sconfitto da layout poveri. Le correnti circolanti su un piano terra possono modulare il riferimento del segnale, iniettando ronzio e ronzio. Seguire queste regole per mantenere il vostro circuito silenzioso:

  • Utilizzare un piano terra solido[[[]] su un PCB a doppio lato, ma mantenere i percorsi di ritorno ad alta corrente (come jack di uscita e batteria negativa) lontano da ritorni di input sensibili.
  • Stampa di messa a terra[: collegare il terreno jack di ingresso, guadagnare terra di rete, Vcc/2 di riferimento, e uscita jack terra a un unico punto al piano terra vicino al op-amp. Questo impedisce correnti di carico rumoroso di sviluppare cadute di tensione attraverso il ritorno di ingresso sensibile.
  • I condensatori di passaggio[[] devono essere fisicamente vicini ai perni di potenza op-amp, con brevi tracce al piano terra.
  • Il segnale di ingresso del segnale traccia breve[ e lontano dai nodi ad alta impedenza. Se l'ingresso op-amp è ad alta impedenza, può essere necessario un anello di protezione o una schermatura. Per un buffer non invertente, l'impedenza di ingresso è determinata dal tappo di resistenza e ingresso del bias, non dall'op-amp stesso, quindi 100kΩ è gestibile.
  • Utilizzare resistenze per pellicole metalliche[[] (1% o meglio) nel percorso del segnale per un basso rumore in eccesso.
  • Cavo nascosto[[] per l'ingresso all'interno della custodia è obbligatorio. Anche pochi centimetri di filo non smussato possono agire come un'antenna.
  • Matura Via:[] Se si utilizza una scheda a due strati con piano terra sul fondo, posizionare una fila di via intorno all'area di ingresso sensibile per ridurre l'induttanza del terreno e migliorare la schermatura.

Progettazione e miniaturizzazione di PCB

I componenti di superficie consentono di ridurre un preamplificatore alle dimensioni di un grande timbro di postazione. 0805 o 0603 resistenze e condensatori sono facili da saldare a mano con la pratica. SOT-23 op-amps sono piccoli ma perfettamente gestibili sotto ingrandimento. Un PCB a doppio lato con un piano di terra sul livello inferiore e tracce di segnale in alto mantiene le aree di loop piccole.

Sistemare il PCB in modo che il connettore di ingresso, clip batteria e connettore di uscita siano posizionati logicamente, riducendo al minimo le corse di fili. Montare il potenziometro direttamente sulla scheda, se possibile. Se si utilizzano parti di foro per i jack e il POT, combinare SMD per tutto il resto per risparmiare spazio.

Per il design compatto, prendere in considerazione un PCB personalizzato con il supporto della batteria integrato. Una piattaforma popolare è la batteria 9V con un piccolo PCB che contiene l'intero circuito, montando all'interno di una scatola di alluminio schermato non più grande della batteria stessa. Ci sono molti istruirables] che dimostrano questo fattore forma.

Test e ottimizzazione

Collegare una batteria 9V fresca attraverso il multimetro per misurare l'estrazione corrente—se è sotto la specifica quiescente dell'op-amp, sospettare una connessione difettosa o Vcc/2 divisore sbagliato. Successivamente, controllare la tensione di riferimento Vcc/2 all'ingresso non invertente dell'op-amp; dovrebbe sedersi a circa la metà della tensione della batteria (4.5V ± 0,1V).

Per ottenere un'uscita di corrente di livello inferiore o uguale a 100 mV, il generatore di segnale o un'app di test audio per smartphone. Con il guadagno minimo, l'uscita dovrebbe essere una copia pulita e leggermente amplificata. Aumentare il guadagno e verificare che l'uscita rimanga simmetrica fino a clipping.

Valutazione della vita della batteria

Calcola la durata della batteria dividendo la capacità della batteria (mAh) dal pareggio totale della corrente (compreso op-amp, resistenze bias, LED se utilizzato, e qualsiasi corrente di quiescente del regolatore). Ad esempio, un OPA1671 tira 0,94 mA, più 0.5 mA per il divisore (due resistenze 10kΩ da 9V danno circa 0,9 mA, ma il divisore è tra Vcc e terra quindi è sempre.

Enclosure e costruzione pratica

Seleziona una scatola die-cast in alluminio per una schermatura efficace contro le interferenze elettromagnetiche. Fori di foratura per jack di ingresso e di uscita (ad esempio, neutrik o Switchcraft), un albero del potenziometro e un interruttore di alimentazione se lo si desidera. Assicurare che l'alloggiamento si collega al circuito di terra tramite un cavo dedicato o attraverso i collegamenti a terra jack.

Per un'unità completamente portatile, si consideri l'aggiunta di una clip a nastro o un supporto a velcro. Etichetta il controllo di guadagno e l'ingresso/uscita chiaramente per evitare la perdita del segnale. Un piccolo LED a singolo colore (con una resistenza della serie 10kΩ) può indicare l'accensione, ma ricorda la sua estrazione corrente. Se avete bisogno di funzionamento silenzioso, omettere il LED o utilizzare un indicatore di impulso che lampeggia brevemente quando è acceso.

Applicazioni e estensioni reali del mondo

Un preamplificatore op-amp alimentato a batteria brilla in diversi scenari pratici:

  • Booster passivo dello strumento:[] Mettilo dentro una chitarra o su una pedaliera per tamponare pickup ad alta impedenza, guidando cavi lunghi senza perdita di tono.
  • Preamp microfono dinamico:[] Abbina ad un op-amp ad alta guadagno (ad esempio, NE5532 a 40 dB guadagno) per alimentare un registratore portatile o un ingresso audio della fotocamera.
  • Phono preamp (RIAA): Con un'attenta equazione delle reti nel loop di feedback, la stessa architettura di base diventa un preamplificatore di riproduzione vinilica.
  • driver linea bilanciato:[] Un secondo op-amp può invertire il segnale per creare un'uscita bilanciata per attrezzature professionali, tutti in esecuzione di una singola batteria.
  • Trasmettitore microfono senza fili:[] Combina con un piccolo modulo FM o digitale trasmettitore per una configurazione di registrazione completamente senza cavo.

Canali multipli e input bilanciato

Molti pacchetti op-amp quad (come OPA4134 o TLV6744 a bassa potenza) consentono di costruire preamplificatori stereo a due canali su un singolo chip. Sfogliere la scheda come metà specchiata per mantenere la crosstalk bassa. Se avete bisogno di un vero apporto differenziale bilanciato per i microfoni, considerate un amplificatore di differenziazione dedicato come il INA163

Per lo scarico della batteria ultra-bassa, guardare a nanopower op-amps come il [TSV912 (550 μA per canale) o il [LPV821[] (650 nA per canale!). Mentre le loro prestazioni di rumore non sono stellari, possono essere adatti per il livello di linea di amplificazione o di amplificazione del sensore è relativamente alto livello di livello di amplificazione dove il livello di livello di amplificazione del sensore è relativamente alto.

Conclusioni

Un preamplificatore audio compatto e alimentato a batteria costruito intorno ad un amplificatore operativo accuratamente scelto è un progetto profondamente soddisfacente che produce uno strumento utilizzabile in innumerevoli situazioni. Trattando il design monofornitura come sistema, dal riferimento virtuale al suolo alla decoupling e schermatura, si eliminano i limiti di rumore e headroom che spesso scoraggiano gli hobbisti. La combinazione di basso rumore op-amp, il layout PCB pre-pensiero e una robusta scatola di metallo